DE102022109109A1

DE102022109109A1 - Motorkurbelwellenbaugruppen mit internen versteifungsstrukturen

Info

Publication number: DE102022109109A1
Application number: DE102022109109.0A
Authority: DE
Inventors: Dale E. Murrish; Scott A. Hucker; Maurice G. Meyer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2022-12-15
Also published as: US11549549B2; US20220397149A1; CN115479073A

Abstract

Vorgestellt werden Kurbelwellenbaugruppen mit internen Versteifungsstrukturen, Verfahren zur Herstellung/Verwendung solcher Kurbelwellenbaugruppen und mit solchen Kurbelwellenbaugruppen ausgestattete Verbrennungsmotoren. Ein Kurbelwellenkörper, der aus einem ersten Material gebildet ist, umfasst mehrere Lagerzapfen, die zueinander koaxial sind, um sich um eine Kurbelwellenachse zu drehen, und die entlang der Länge der Kurbelwelle voneinander beabstandet sind. Jeder Lagerzapfen hat einen inneren Lagerzapfenhohlraum. Mehrere Kurbelzapfen sind in Längsrichtung voneinander beabstandet und axial von der Drehachse der Kurbelwelle versetzt. Jeder Kurbelzapfen hat einen inneren Kurbelzapfenhohlraum. Mehrere Kurbelwangen stehen radial von der Kurbelwellenachse ab und verbinden die Lagerzapfen mit den Kurbelzapfen. Jede Kurbelwange hat einen inneren Wangenhohlraum. In den Lagerzapfenhohlräumen, Kurbelzapfenhohlräumen und/oder Wangenhohlräumen ist ein Versteifungsstange angeordnet, der aus einem zweiten Material mit einem Elastizitätsmodul gebildet ist, der größer ist als der Elastizitätsmodul des ersten Materials.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Drehmomentübertragungswellen. Genauer gesagt beziehen sich die Aspekte dieser Offenbarung auf Kurbelwellenbaugruppen für Verbrennungsmotoren.
Heutige Serienfahrzeuge, wie z. B. das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs versorgt. Bei Kraftfahrzeugen beispielsweise besteht der Antriebsstrang in der Regel aus einer Antriebsmaschine, die das Antriebsdrehmoment über ein automatisches oder manuell geschaltetes Getriebe auf den Achsantrieb des Fahrzeugs (z. B. Differential, Achswellen, Räder usw.) überträgt. In der Vergangenheit wurden Kraftfahrzeuge durch Kolbenverbrennungsmotoren angetrieben, da diese leicht verfügbar und relativ kostengünstig waren, ein geringes Gewicht aufwiesen und einen hohen Wirkungsgrad aufwiesen. Zu diesen Motoren gehören Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Dieselmotoren mit Selbstzündung (CI), Zwei-, Vier- und Sechstaktmotoren sowie Rotationsmotoren, um nur einige Beispiele zu nennen. Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und vollelektrische Fahrzeuge (FEV) hingegen nutzen alternative Energiequellen für den Antrieb des Fahrzeugs, z. B. batteriebetriebene oder brennstoffzellenbetriebene elektrische Fahrmotoren. Auf diese Weise sind HEVs und FEVs in der Lage, die Abhängigkeit von einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Motor für die Antriebskraft zu minimieren oder zu beseitigen.
Ein gewöhnlicher Verbrennungsmotor mit „Überkopf-Ventilen“ umfasst einen Motorblock mit einer Reihe von inneren Zylinderbohrungen, in denen jeweils ein Kolben hin- und herbewegt wird. An der Oberseite des Motorblocks ist ein Zylinderkopf angebracht, der zusammen mit dem Kolben und der Zylinderbohrung einen Brennraum bildet. Diese hin- und herbewegten Kolben dienen dazu, den Druck, der durch die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum erzeugt wird, in Rotationskräfte umzuwandeln, die eine Motorkurbelwelle antreiben. Der Zylinderkopf weist Einlassöffnungen auf, durch die die von einem Ansaugkrümmer bereitgestellte Luft selektiv in jeden Brennraum eingeleitet wird. Der Zylinderkopf weist auch Auslassöffnungen auf, durch die Abgase und Verbrennungsnebenprodukte selektiv aus den Brennkammern zu einem Auspuffkrümmer abgeleitet werden. Der Auspuffkrümmer wiederum sammelt und bündelt die Abgase zur dosierten Rückführung in den Ansaugkrümmer, zur Zuführung an einen turbinengetriebenen Turbolader oder zur Ableitung aus dem Fahrzeug über ein Abgassystem. Das Abgassystem verfügt über Katalysatoren zur Reduzierung schädlicher Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Ruß (z. B. bei Dieselmotoren).
Viertakt-Verbrennungsmotoren arbeiten - wie der Name schon sagt - in vier verschiedenen Stufen oder „Takten“, um die Kurbelwelle des Motors anzutreiben. In einer dieser (ersten) Betriebsstufen, die als „Ansaugtakt“ bezeichnet wird, wird ein dosiertes Gemisch aus Kraftstoff und Luft in jeden Zylinder eingeleitet, während sich der entsprechende Kolben geradlinig von oben nach unten über die Länge der Zylinderbohrung bewegt. Die Einlassventile des Motors werden geöffnet, so dass der durch den sich abwärts bewegenden Kolben erzeugte Unterdruck Luft in den Brennraum ansaugt. Am Ende dieses Zyklus wird eine dosierte Menge fein zerstäubten Kraftstoffs über eine Einspritzdüse in den Brennraum eingeleitet. In der anschließenden (zweiten) Stufe, dem so genannten „Verdichtungstakt“, werden die Ein- und Auslassventile geschlossen, während sich der Kolben von unten nach oben bewegt und dabei das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet. Nach Beendigung des Verdichtungstakts beginnt eine weitere (dritte) Stufe oder ein „Arbeitstakt“, bei dem eine Zündkerze den komprimierten Kraftstoff und die Luft entzündet, wodurch die explosive Ausdehnung der Gase den Kolben zurück zum unteren Totpunkt (UT) drückt. In der darauf folgenden Phase, die gemeinhin als „Auslasstakt“ bezeichnet wird, kehrt der Kolben bei geöffneten Auslassventilen erneut in den oberen Totpunkt (OT) zurück; der sich bewegende Kolben stößt das verbrauchte Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum aus. Um die vier Takte eines einzigen Arbeitstaktes (Otto-Takt) zu vollenden, sind zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich.
Die Kurbelwelle eines Motors wandelt die lineare Hin- und Herbewegung der Motorkolben in eine Drehbewegung um, die als Antriebsdrehmoment ausgegeben wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drehmomentübertragungswellen, die als rechtwinklige Zylinder ausgeführt sind, ist die Motorkurbelwelle eine nichtlineare Struktur mit koaxialen Lagerzapfen, die mit einer Reihe von axial versetzten Kurbelzapfen verbunden sind, an denen die hin- und herbewegten Kolben über Pleuelstangen befestigt sind. Diese axial ausgerichteten Lagerzapfen sind über die Länge der Kurbelwelle verteilt und laufen auf Lagerbuchsen, die im Kurbelgehäuse des Motors gehalten werden. Radial vorstehende Kurbelwangen koppeln die Lagerzapfen mit den Kurbelzapfen; optionale, in die Wangen integrierte Gegengewichte helfen, innere Kräfte auszugleichen oder die Belastung der Hauptlagerzapfen zu verringern. Um die Masse der Kurbelwelle zu verringern, kann in jedem der Kurbelzapfen und Lagerzapfen ein hohler Kern eingeformt werden, der sich durch sie hindurch erstreckt. Jede Verringerung der Masse muss jedoch mit unerwünschten Geräuschen, Vibrationen und Rauheit (NVH) sowie durch die Fähigkeit der Kurbelwelle, den beim Motorbetrieb auftretenden Belastungen standzuhalten, ausbalanciert werden.
BESCHREIBUNG
Hier werden Kurbelwellenbaugruppen mit internen Versteifungsstrukturen, Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Kurbelwellenbaugruppen, mit solchen Kurbelwellenbaugruppen ausgestattete Verbrennungsmotoren und mit solchen Motoren ausgestattete Kraftfahrzeuge vorgestellt. In einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst eine Motorkurbelwellenbaugruppe eine interne Versteifungsstruktur, die in einem oder mehreren der Kurbelzapfen und Lagerzapfen der Kurbelwelle untergebracht ist. Die Kurbelwelle kann aus einem Material mit niedrigerem Modul, wie z. B. Sphäroguss, gegossen und bearbeitet werden, während die innere Versteifungsstruktur aus einem Material mit höherem Modul, wie z. B. Stahl oder Keramik, hergestellt werden kann. Die Versteifungsstruktur kann die Form eines länglichen I-Trägers annehmen, der axial verdreht und quer in eine Sinus- oder Helixform gebogen und durch hohle Kerne oder geometrisch komplementäre Durchgangslöcher in den Lagerzapfen, Wangen und Kurbelzapfen gezogen werden kann. Alternativ können auch ein oder mehrere einzelne I-Träger-Segmente in jeden Kurbelzapfen/Lagerzapfen/Wange eingepackt werden. Der Zwischenraum zwischen der inneren Versteifungsstruktur und einer Innendurchmesser (ID) -Fläche der optionalen hohlen Kerne des Kurbelzapfens/Lagerzapfens/Wange kann mit Nylon, Kunststoff, Gummi, Aluminium, Zinn oder Holz gefüllt werden. Um die Herstellung und den Zusammenbau zu vereinfachen, kann die innere Versteifungsstruktur in Hohlräume innerhalb der Kurbelwelle gegossen oder geschmiedet werden. Zu den Vorteilen zumindest einiger der vorgestellten Konzepte gehören Kurbelwellenbaugruppen mit internen Versteifungsstrukturen, die den Elastizitätsmodul erhöhen, Geräusche und Vibrationen reduzieren und die Materialkosten senken.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf innen versteifte Kurbelwellenbaugruppen für drehmomenterzeugende Vorrichtungen, wie z. B. ICE-Baugruppen, druckerzeugende Vorrichtungen, wie z. B. Kompressoren und Pumpen, und andere Fahrzeug- und Nicht-Fahrzeuganwendungen. Eine repräsentative Kurbelwellenbaugruppe umfasst beispielsweise einen Kurbelwellenkörper, der ganz oder teilweise aus einem starren (ersten) Material hergestellt ist. Die Kurbelwellenbaugruppe umfasst mehrere Lagerzapfen, mehrere Kurbelzapfen und mehrere Kurbelwangen. Die Lagerzapfen sind zueinander koaxial, um sich um eine Kurbelwellenachse zu drehen, und sind entlang der Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet. Die Kurbelzapfen sind ebenfalls über die Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet, jedoch sind die Kurbelzapfen axial zur Kurbelwellenachse versetzt. Die Kurbelwangen stehen radial von der Kurbelwellenachse ab und verbinden die Lagerzapfen mit den Kurbelzapfen. Jeder Lagerzapfen, jeder Kurbelzapfen und jede Kurbelwange definiert einen entsprechenden Hohlraum. Ein oder mehrere Versteifungsstangen sind in einem oder mehreren oder sämtlichen der Hohlräume der Lagerzapfen, Kurbelzapfen und/oder Wangen angeordnet. Jede Versteifungsstange ist ganz oder teilweise aus einem weiteren starren (zweiten) Material gebildet, dessen Elastizitätsmodul größer ist als der Elastizitätsmodul des ersten Materials.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, die Kurbelwellenbaugruppen mit internen Versteifungsstrukturen aufweisen. Wie hierin verwendet, können die Begriffe „Fahrzeug“ und „Kraftfahrzeug“ austauschbar und synonym verwendet werden, um jede relevante Fahrzeugplattform einzuschließen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Personenkraftwagen (ICE, HEV, FCH, voll- und teilautonome Fahrzeuge usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Gelände- und geländegängige Fahrzeuge (ATV), Motorräder, Land- und Baumaschinen, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge usw. In einem Beispiel umfasst ein Kraftfahrzeug eine Fahrzeugkarosserie mit einem Fahrgastraum, mehrere Räder, die drehbar an der Fahrzeugkarosserie befestigt sind (z. B. über ein Einheitskörper-Fahrgestell oder ein Körper-auf-Rahmen-Fahrgestell), und andere Standard-Erstausrüstungen. Eine Motorbaugruppe ist ebenfalls an der Fahrzeugkarosserie angebracht und arbeitet allein (z. B. bei Verbrennungsmotoren) oder in Verbindung mit einem oder mehreren elektrischen Fahrmotoren (z. B. bei Hybridantrieben), um selektiv eines oder mehrere der Räder anzutreiben und so das Fahrzeug voranzutreiben.
Um die Diskussion des obigen Beispiels fortzusetzen, umfasst die Motorbaugruppe einen Motorblock mit einer Reihe von inneren Zylinderbohrungen, einen in jeder Zylinderbohrung hin- und herbewegbaren Kolben und eine Kurbelwellenbaugruppe, die sich z. B. in einem Kurbelgehäuse des Motorblocks befindet. Die Kurbelwellenbaugruppe umfasst einen einteiligen Kurbelwellenkörper, der ganz oder teilweise aus einem starren (ersten) Material hergestellt ist. Der Kurbelwellenkörper umfasst zwei oder mehrere Lagerzapfen, die drehbar am Motorblock befestigt sind, zueinander koaxial sind, um sich um die Mittelachse der Kurbelwelle zu drehen, und voneinander entlang einer Länge des Kurbelwellenkörpers beabstandet sind. Jeder Lagerzapfen definiert durch ihn hindurch einen Lagerhohlraum. Eine Reihe von Kurbelzapfen ist mit Kolben gekoppelt, die entlang der Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet und axial von der Kurbelwellenmittelachse versetzt sind, um somit um die Kurbelwellenachse zu kreisen. Jeder Kurbelzapfen definiert einen Kurbelzapfenhohlraum. Die Kurbelwangen stehen radial von der Kurbelwellenachse ab und verbinden die Lagerzapfen mit den Kurbelzapfen. Jede Kurbelwange definiert in sich einen Wangenhohlraum. Eine Versteifung mit einem langgestreckten, nichtlinearen Trägerkörper kann quer gebogen (d. h. um eine Querachse gekrümmt) und in Bezug auf eine Versteifungsmittelachse in Umfangsrichtung gedreht (z. B. um eine Längsachse verdreht) werden, so dass die Versteifung durch die Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und Wangenhohlräume hindurchgeführt wird. Die Versteifung ist ganz oder teilweise aus einem (zweiten) Material mit hoher Steifigkeit gebildet, das sich vom Material der Kurbelwelle unterscheidet und einen Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist als der Elastizitätsmodul des Materials des Kurbelwellenkörpers.
Andere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Herstellungsverfahren, Steuerlogik und computerlesbare Medien (CRM) zur Herstellung oder Verwendung der offenbarten Kurbelwellenbaugruppen, Verbrennungsmotoren und/oder Kraftfahrzeuge. In einem Beispiel wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwellenbaugruppe vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der oben und unten offenbarten Optionen und Merkmale: Ausbilden eines Kurbelwellenkörpers mit einem ersten Material, wobei der Kurbelwellenkörper umfasst: eine Vielzahl von Lagerzapfen, die zueinander koaxial sind, um sich um eine Kurbelwellenachse zu drehen, und die entlang einer Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet sind, wobei jeder der Lagerzapfen darin einen Lagerzapfenhohlraum definiert; eine Vielzahl von Kurbelzapfen, die entlang der Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet und axial von der Kurbelwellenachse versetzt sind, wobei jeder der Kurbelzapfen darin einen Kurbelzapfenhohlraum definiert und eine Vielzahl von Kurbelwangen, die radial von der Kurbelwellenachse versetzt sind und die Lagerzapfen und die Kurbelzapfen miteinander verbinden, wobei jede der Kurbelwangen darin einen Wangenhohlraum definiert; und Anordnen einer Versteifungsstange in einem oder mehreren der Lagerzapfenhohlräume, der Kurbelzapfenhohlräume und/oder der Wangenhohlräume, wobei die Versteifungsstange aus einem zweiten Material gebildet ist, das einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, der größer als ein erster Elastizitätsmodul des ersten Materials ist.
Bei allen offenbarten Kurbelwellenbaugruppen, Fahrzeugen und Verfahren kann der innere Versteifungsstange einen I-Träger mit einem I-förmigen Querschnitt umfassen oder im Wesentlichen aus einem solchen bestehen, der durch einen vertikalen Schaft gekennzeichnet ist, der einen horizontalen unteren Schenkel mit einem horizontalen oberen Arm verbindet. In diesem Fall können die gegenüberliegenden Querenden des Schenkels und des Arms abgerundete Kanten aufweisen. Die I-Träger-Versteifung kann auch trägheitserhöhende Schienen enthalten, die sich über die Länge des Trägers erstrecken und quer von der Ober- und Unterseite des Trägers vorstehen. Im Querschnitt betrachtet, erscheinen diese Schienen als ein erster abgerundeter Vorsprung, der radial von einer Mitte der Außendurchmesser (OD) -Fläche des Schenkels absteht, und ein zweiter abgerundeter Vorsprung, der radial von einer Mitte der Außendurchmesser (OD) -Fläche des Arms absteht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Arm und der Schenkel eine gemeinsame vertikale (erste) Dicke haben, während der Schaft eine horizontale (zweite) Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des Schenkels/Arms.
Bei allen offenbarten Kurbelwellenbaugruppen, Fahrzeugen und Verfahren kann ein geräusch- und schwingungsdämpfendes Füllmaterial in die Lagerzapfenhohlräume, Kurbelzapfenhohlräume und/oder Wangenhohlräume eingebracht werden. Dieses Füllmaterial wird zwischen dem inneren Versteifungsstange und den ID-Flächen der Lagerzapfen, Kurbelzapfen und/oder Kurbelwangen, die die Versteifungsstange(n) aufnehmen, eingefügt. Als weitere Option können die Grenzflächen, an denen die Versteifungsstange die ID-Flächen der Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und/oder Kurbelwangenhohlräume berührt, beschichtet, maschinell bearbeitet oder oberflächenbehandelt werden, um eine Oberflächentextur zu erhalten, die die mechanische Haftung zwischen der Versteifungsstange und dem Kurbelwellenkörper erhöhen soll. Es kann wünschenswert sein, dass der Kurbelwellenkörper, einschließlich der Lagerzapfen, Kurbelzapfen und Kurbelwangen, integral als einteilige, einheitliche Struktur ausgebildet ist. Das Material der Kurbelwelle (erstes Material) kann Aluminium, Aluminiumlegierungen, Stahl oder Sphäroguss umfassen; das Material der Versteifungsstange (zweites Material) kann Stahl, legierte Stähle oder Keramik umfassen. Bei einer keramikbasierten Innenversteifung kann eine vordefinierte Anzahl von einzelnen Keramikstangen (z. B. 4-20) mit rundem oder polygonalem Querschnitt gebündelt und im Inneren des Kurbelwellenkörpers verpackt werden.
Bei allen offenbarten Kurbelwellenbaugruppen, Fahrzeugen und Verfahren kann die Versteifungsstange eine I-Träger-Versteifung mit einem länglichen, nicht linearen und einteiligen Körper umfassen, der sich von Ende zu Ende des Kurbelwellenkörpers erstreckt und durch die Lagerzapfenhohlräume, die Kurbelzapfenhohlräume und die Wangenhohlräume geschraubt ist. Da die Kurbelzapfen axial zu den Lagerzapfen und in einigen Anwendungen auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, wird der I-Trägerkörper verdreht - quer gebogen und in Umfangsrichtung gedreht -, um das Einfädeln der I-Träger-Versteifung durch die Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und Wangenhohlräume zu ermöglichen. Alternativ kann die Versteifungsstange mehrere einzelne Versteifungsstangen umfassen, von denen jede in einem der Hohlräume des Lagerzapfens, des Kurbelzapfens und/oder der Wange angebracht ist. Jede einzelne Versteifungsstange ist im Inneren des hohlen Kerns eines entsprechenden Lagerzapfen-/Kurbelzapfen-/Wangenhohlraums verriegelt und ragt aus den gegenüberliegenden offenen Enden des hohlen Kerns heraus.
Die obige Zusammenfassung stellt nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung dar. Vielmehr werden die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung aus der folgenden detaillierten Beschreibung von anschaulichen Beispielen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung einfach ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden. Darüber hinaus schließt diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten beschriebenen Elemente und Merkmale ein.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Vorderansicht eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einer schematischen Darstellung einer repräsentativen Hubkolben-Verbrennungsmotorbaugruppe mit einer Motorkurbelwelle, die eine interne Versteifungsstruktur aufweist, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Seitenansicht einer repräsentativen Motorkurbelwellenbaugruppe mit einer I-Träger-Kernversteifung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils einer anderen repräsentativen Motorkurbelwellenbaugruppe mit diskret verpackten I-Träger-Kernversteifungen gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte.
4 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils einer weiteren repräsentativen Motorkurbelwellenbaugruppe mit einer intern verpackten, verdrehten I-Träger-Kernversteifung gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte.

Repräsentative Ausführungsformen dieser Offenbarung sind als nicht einschränkende Beispiele in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen beschränkt sind, die in den oben aufgezählten Zeichnungen dargestellt sind. Vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen, Unterkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung fallen, wie sie zum Beispiel von den beigefügten Ansprüchen umfasst werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail beschrieben, wobei diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien und nicht als Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Beschränkungen, die z. B. in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Beschreibung“, „Beschreibung der Zeichnungen“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht in die Ansprüche aufgenommen werden, weder einzeln noch insgesamt, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung noch auf andere Weise. Darüber hinaus sind die hier besprochenen Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Anleitungszwecken. Daher sind die in den Figuren dargestellten spezifischen und relativen Abmessungen nicht als einschränkend zu verstehen.
Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung gilt, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen: Der Singular schließt den Plural ein und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv; die Wörter „jeder“ und „alle“ bedeuten „jeder und alle“; und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „habend“ und Permutationen davon bedeuten jeweils „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „etwa“ und dergleichen hier im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder einer beliebigen logischen Kombination davon verwendet werden. Schließlich können sich richtungsbezogene Adjektive und Adverbien wie vorn, hinten, innen, außen, steuerbord, backbord, vertikal, horizontal, nach oben, nach unten, vor, zurück, links, rechts usw. auf ein Kraftfahrzeug beziehen, z. B. auf die Vorwärtsfahrt eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Fahrfläche betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet und hier zu Diskussionszwecken als ein motorgetriebenes, limousinenartiges Personenfahrzeug dargestellt wird. Das dargestellte Kraftfahrzeug 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine beispielhafte Anwendung, mit der neuartige Aspekte der vorliegenden Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in einem Ottomotor auch als eine beispielhafte Anwendung der hier offenbarten neuen Konzepte verstanden werden. Es sei verstanden, dass die Merkmale der vorliegenden Offenbarung auch auf andere Motorkonfigurationen angewandt, durch alternative Antriebsstrangarchitekturen umgesetzt und für jede logisch relevante Fahrzeug- und Nichtfahrzeuganwendung genutzt werden können. Schließlich wurden nur ausgewählte Komponenten des Kraftfahrzeugs und des Verbrennungsmotors gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Nichtsdestotrotz können die im Folgenden beschriebenen Fahrzeuge und Motoren zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere verfügbare periphere Komponenten zur Durchführung der verschiedenen Verfahren und Funktionen dieser Offenbarung enthalten.
1 zeigt ein Beispiel für eine Doppelnocken-Reihenmotorbaugruppe 12, die in einem Motorraum 14 der Fahrzeugkarosserie eingebaut ist. Bei der dargestellten Motorbaugruppe 12 handelt es sich um einen Viertakt-Hubkolbenmotor, der das Fahrzeug 10 beispielsweise als Benzinmotor mit Direkteinspritzung (DI) antreibt, einschließlich der Varianten für Flex-Kraftstoff-Fahrzeuge (FFV) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV). Die Motorbaugruppe 12 kann optional in einer beliebigen Auswahl von Verbrennungsmodi arbeiten, einschließlich eines Verbrennungsmodus mit homogener Ladung und Selbstzündung (HCCI) und eines Verbrennungsmodus mit einstellbarem Hub (SI). Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, ist vorgesehen, dass der Antriebsstrang des Fahrzeugs jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich Vorderradantrieb (FWD) -Layouts, Hinterradantrieb (RWD) -Layouts, Allradantrieb (AWD) -Layouts, Vierradantrieb (4WD) -Layouts, etc.
Die Motorbaugruppe 12 setzt eine Reihe von hin- und hergehenden Kolben 16 ein, die in den Zylinderbohrungen 15 eines Motorblocks 13 gleitend beweglich sind. Die Motorkolben 16 sind typischerweise in einer geraden Anzahl von 4, 6, 8 usw. vorhanden und in einer V- oder I-Konfiguration angeordnet. Die obere Fläche jedes Kolbens 16 arbeitet mit dem Innenumfang des entsprechenden Zylinders 15 und einer entsprechenden Kammerfläche 19 eines Zylinderkopfes 25 zusammen, um einen Brennraum 17 mit variablem Volumen zu bilden. Jeder Kolben 16 ist über eine entsprechende Pleuelstange 21 und optionale Gestänge mit einem Kurbelzapfen (2) einer rotierenden Kurbelwelle 11 verbunden. Die Kurbelwelle 11 wiederum wandelt die lineare Hin- und Herbewegung der Kolben 16 in eine Drehbewegung um, die z. B. in Form einer Anzahl von Umdrehungen pro Minute (U/min) an eine Kraftübertragung (nicht dargestellt) zum Antrieb eines oder mehrerer Räder 22 abgegeben wird. Die Kurbelwelle 11 ist in einem Kurbelgehäuse 23 dargestellt, das unterhalb des Motorblocks 13 montiert ist. Der Motorblock 13 und der Zylinderkopf 25 sind zwar als einzelne Teile dargestellt, können aber auch als einteilige, einheitliche „Monoblock“-Konstruktion ausgeführt sein.
Ein Luftansaugsystem leitet Ansaugluft über einen Ansaugkrümmer 29 zu den Zylindern 15, der die Luft über Ansaugkanäle des Zylinderkopfs 25 in die Brennräume 17 leitet und verteilt. Das Ansaugsystem des Motors verfügt über Luftströmungskanäle und verschiedene elektronische Vorrichtungen zur Überwachung und Regulierung des einströmenden Luftstroms. Die Ansaugvorrichtungen können beispielsweise einen Luftmassensensor 32 zur Überwachung des Luftmassenstroms (MAF) 53 und der Ansauglufttemperatur (IAT) 55 umfassen. Eine Drosselklappe 34 steuert den Luftstrom zur Motorbaugruppe 12 als Reaktion auf ein Steuersignal (ETC) 57 von einer programmierbaren Motorsteuereinheit (ECU) 5. Ein Drucksensor 36 im Ansaugkrümmer 29 überwacht beispielsweise den absoluten Druck im Ansaugkrümmer (MAP) 59 und den barometrischen Druck.
Ein optionaler externer Strömungskanal (nicht abgebildet) führt die Abgase aus dem Motorabgas zum Ansaugkrümmer 29 zurück, wobei ein Abgasrückführungs (EGR) -Ventil 38 eingesetzt wird, um die Menge der zurück in die Zylinder 15 geleiteten Abgase zu messen. Die programmierbare Motorsteuereinheit 5 steuert den Massenstrom des Abgases zum Ansaugkrümmer 29, indem es das Öffnen/Schließen des EGR-Ventils 38 über den EGR-Befehl 61 steuert. In 1 stehen die Pfeile, die die ECU 5 mit den verschiedenen Komponenten der Motorbaugruppe 12 verbinden, für elektronische Signale oder andere Kommunikationsaustauschvorgänge, durch die Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zur anderen übertragen werden.
Der Luftstrom vom Ansaugkrümmer 29 in den Brennraum 17 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 gesteuert. Die Ableitung der Abgase aus dem Verbrennungsraum 17 zu einem Auspuffkrümmer 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 gesteuert. Diese Motorventile 18, 20 sind hier als federbelastete Tellerventile dargestellt; es können jedoch auch andere handelsübliche Arten von Motorventilen verwendet werden. Das Ventiltriebsystem 12 der repräsentativen Motorbaugruppe ist so ausgestattet, dass das Öffnen und Schließen der Auslass- und Einlassventile 18, 20 gesteuert und eingestellt werden kann. Obwohl nur ein einziges Paar von Motorventilen dargestellt ist, kann jeder Zylinder 15 mit mehreren Paaren von Einlass-/Auslassventilen ausgestattet sein.
Die Aktivierung der Motorventile 18, 20 kann durch die Steuerung einer variablen Auslass- und Einlassnockenwellenverstellung/variablen Hubsteuerung (VCP/VLC) 46 und 48 moduliert werden. Diese VCP/VLC-Vorrichtungen 46, 48 dienen zur Steuerung einer Einlassnockenwelle 47 und einer Auslassnockenwelle 49. Die Drehung der Einlass- und der Auslassnockenwelle 47, 49 ist mit der Drehung der Kurbelwelle verknüpft und indexiert, wodurch das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile 20, 18 mit den Positionen der Kurbelwelle 11 und der Kolben 16 verknüpft wird. Die Einlass-VCP/VLC-Vorrichtung 46 kann den Ventilhub des Einlassventils/der Einlassventile 20 als Reaktion auf ein Steuersignal (iVLC) 63 variabel schalten und steuern und die Phasenlage der Einlassnockenwelle 47 für jeden Zylinder 15 als Reaktion auf ein Steuersignal (iVCP) 65 variabel einstellen und steuern. Die Auslass-VCP/VLC-Vorrichtung 48 kann den Ventilhub des Auslassventils/der Auslassventile 18 in Reaktion auf ein Steuersignal (eVLC) 67 variabel schalten und steuern und die Phasenlage der Auslassnockenwelle 49 für jeden Zylinder 15 als Reaktion auf ein Steuersignal (eVCP) 69 variabel einstellen und steuern.
Unter weiterer Bezugnahme auf die repräsentative Konfiguration von 1 verwendet die Motorbaugruppe 12 ein DI-Kraftstoffeinspritz-Teilsystem mit mehreren elektronischen Hochdruck-Kraftstoffeinspritzdüsen 28, die Kraftstoffimpulse direkt in die Brennkammern 17 einspritzen. Wie dargestellt, ist jeder Zylinder 15 mit einem oder mehreren Einspritzdüsen 28 ausgestattet, die als Reaktion auf einen Einspritzdüsenimpulsbreitenbefehl (INJ_PW) 75 von der ECU 5 aktiviert werden. Diese Einspritzdüsen 28 werden über ein Kraftstoffverteilungssystem mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffeinspritzdüsen 28 können, wenn sie aktiviert sind, mehrere Kraftstoffimpulse pro Arbeitsverbrennungszyklus in einen der entsprechenden Motorzylinder 15 einspritzen. Die Motorbaugruppe 12 verwendet ein Selbstzündungsverfahren (bei Dieselmotoren) oder ein Funkenzündungsverfahren (bei Ottomotoren), bei dem die die Verbrennung auslösende Energie, z. B. eine plötzliche elektrische Entladung, die über eine Zündkerze 26 als Reaktion auf einen Zündbefehl (IGN) 71 bereitgestellt wird, die Zylinderladungen in den Brennkammern 17 zündet. Die Kraftstoffeinspritzdüsen 28 können auch in Form einer elektronisch gesteuerten Common-Rail-Einspritzdüsenarchitektur ausgeführt sein, die mit einem normalerweise ausgeschalteten Magnetventil arbeitet.
Die Motorbaugruppe 12 ist mit einer Vielzahl von Messvorrichtungen zur Überwachung des Motorbetriebs ausgestattet, darunter ein Kurbelwellensensor 42, der die Drehposition der Kurbelwelle überwacht und ein Kurbelwinkel-/Drehzahl (RPM) -Signal 43 ausgibt. Ein Temperatursensor 44 überwacht z. B. eine oder mehrere motorbezogene Temperaturen (z. B. Kühlmitteltemperatur, Öl usw.) und gibt ein entsprechendes Signal 45 aus. Ein zylinderinterner Verbrennungssensor 30 überwacht verbrennungsrelevante Variablen, wie z. B. Verbrennungsdruck im Zylinder, Ladungstemperatur, Kraftstoffmasse, Luft-Kraftstoff-Verhältnis usw., und gibt ein entsprechendes Signal 31 aus. Ein Abgassensor 40 überwacht eine oder mehrere abgasbezogene Variablen, z. B. das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis (AFR), den Anteil des verbrannten Gases usw., und gibt ein entsprechendes Signal 73 aus.
Während des Betriebs einer Motorbaugruppe kann die Kurbelwelle enormen Belastungen ausgesetzt sein. Dazu gehören Torsionsbelastungen, die sich aus der Axialdrehung mit hoher Geschwindigkeit ergeben, Biege- und Axialbelastungen, die sich aus den Lastwechseln ergeben, die durch die Kurbelkräfte der Zylinder und Pleuelstangen verursacht werden, sowie Scherkräfte, die durch die Druckkräfte des Verbrennungszyklus entstehen. Zwar ist es oft wünschenswert, das Gewicht und die Materialkosten der Kurbelwelle zu reduzieren, um gleichzeitig das Gewicht und die Kosten des Motors/Fahrzeugs zu senken, doch müssen solche Reduzierungen mit der Fähigkeit der Kurbelwelle, den mit dem Motorbetrieb einhergehenden Beanspruchungen standzuhalten, in Einklang gebracht werden. Nachfolgend werden Kurbelwellenkonfigurationen vorgestellt, die eine Verringerung des Gewichts und der Materialkosten bei verbesserter Geräusch- und Vibrationsdämpfung und erhöhter Belastungsfähigkeit bieten.
Die 2 bis 4 zeigen repräsentative Kurbelwellenbaugruppen mit internen Versteifungsstrukturen, die den Elastizitätsmodul der Baugruppe erhöhen und dazu beitragen, Motorgeräusche und Vibrationen, die durch die Baugruppe übertragen werden, zu dämpfen. Die Versteifungsstruktur ist aus einem Material mit hohem Modul gebildet, wie z. B. Stahl, das gegossen oder geschmiedet werden kann und anschließend in ein Material mit niedrigerem Modul, wie z. B. Sphäroguss, des Kurbelwellenkörpers eingesetzt wird. Eine Versteifungsstruktur aus Stahl kann stranggepresst oder aus Stangenmaterial gewalzt oder gegossen, geschmiedet oder gestanzt werden. Alternativ kann das Material mit hohem Modul aus Keramik oder anderen spröden Materialien gebildet sein, die schwer zu bearbeiten sind; in solchen Fällen kann ein weicheres, duktiles Material des Kurbelwellenkörpers, wie z. B. Sphäroguss, um das Versteifungsmaterial mit hohem Modul herum geformt werden. Die Berührungsflächen zwischen dem Kurbelwellenkörper und der inneren Versteifung können durch Schleifen, Sandstrahlen, Kugelstrahlen, chemisches Ätzen usw. bearbeitet werden, um eine „stachelige“ Oberfläche zu erhalten, die zur Verbesserung der mechanischen Haftung zwischen den beiden Strukturen beiträgt.
Die Geometrie des Versteifungskerns kann so optimiert werden, dass Änderungen des Anschnitts in der Metallgießform minimiert werden; in diesem Beispiel kann die Stahlstruktur wie ein Gusskokille wirken, die eine unerwünschte Erstarrung in einem oder mehreren Segmenten der Metallgießform fördert. Die innere Versteifungsstruktur kann eine rohrförmige Geometrie annehmen, z. B. um das Bohren unnötiger zusätzlicher Öllöcher zu vermeiden. Ausbrüche können an vordefinierten „optimalen“ Stellen zugelassen werden, z. B. mit einem runden Ausbruch anstelle eines ovalen Ausbruchs (z. B. wird ein kurzes Loch pro Kurbelzapfen und Hauptzapfen gebohrt). Im Vergleich zu einer Ganzstahlkurbelwelle, die relativ teuer und schwer ist, bietet eine Kurbelwellenbaugruppe aus Verbundwerkstoff, die aus preiswerterem und leichterem Sphäroguss gebildet ist und mit einer Innenversteifung aus Stahl oder Keramik verstärkt ist, eine vergleichbare Steifigkeit und Belastbarkeit ohne das damit verbundene Gewicht und die Kosten. Die innere Versteifungsstruktur kann strategisch innerhalb des Kurbelwellenkörpers angeordnet werden und eine optimierte Konstruktionsgeometrie für die effektivsten Versteifungseigenschaften mit den niedrigsten Herstellungskosten verwenden.
2 zeigt eine repräsentative Kurbelwellenbaugruppe 111 mit einer internen Versteifungsstruktur 160 zur Verbesserung des Spannungs-, Geräusch- und Schwingungsverhaltens. Die Kurbelwellenbaugruppe 111 kann sowohl für Fahrzeuganwendungen, wie die Kurbelwelle 11 in der Motorbaugruppe 12 von 1, als auch für Nicht-Fahrzeuganwendungen, wie Kolbenkompressoren, Ölpumpen usw., eingesetzt werden. Obwohl sie sich im Aussehen unterscheiden, können alle im Folgenden unter Bezugnahme auf die Kurbelwellenbaugruppe 111 von 2 beschriebenen Merkmale und Optionen einzeln oder in beliebiger Kombination in die Kurbelwellenbaugruppen 211 und 311 von 3 und 4 eingebaut werden und umgekehrt. Die Kurbelwellenbaugruppe 111 umfasst beispielsweise einen länglichen, nicht linearen Kurbelwellenkörper 150, der sich entlang einer zentralen Kurbelwellenachse A_CR erstreckt, um die sich die Kurbelwellenbaugruppe 111 dreht. Der Kurbelwellenkörper 150 wird im Allgemeinen durch eine Reihe von Hauptlagerzapfen 152, eine Reihe von Kurbelzapfen (oder „Stangenlagerzapfen“) 154, die mit den Lagerzapfen 152 verschachtelt sind, eine Reihe von Kurbelwangen (oder „Armen“) 156, die die Lagerzapfen 152 mit den Kurbelzapfen 154 verbinden, und einen optionalen Satz von Gegengewichten 158, die mit ausgewählten Kurbelwangen 156 gekoppelt oder in diese integriert sind, definiert. Wie dargestellt, ist der Kurbelwellenkörper 111, einschließlich der Lagerzapfen 152, der Kurbelzapfen 154 und der Kurbelwangen 156, als einteilige, einheitliche Struktur ausgebildet.
Die Hauptlagerzapfen 152 sind koaxial zueinander ausgerichtet, jeweils konzentrisch zur Kurbelwellenachse A_CR. Während der Drehung um die Kurbelwellenachse A_CR können die Hauptlagerzapfen 152 auf komplementären Lagerbuchsen (nicht dargestellt) laufen, die in einem Motorkurbelgehäuse einer Verbrennungsmotorbaugruppe (z. B. Kurbelgehäuse 23 von 1) gehalten werden. 2 zeigt fünf Hauptlagerzapfen 152, bei denen es sich um zylindrische Strukturen handelt, die eine gemeinsame Breite und einen gemeinsamen Durchmesser haben und entlang der Längsachse des Kurbelwellenkörpers 150 voneinander beabstandet sind. Jeder Lagerzapfen 152 kann eine hohle Konstruktion mit einem inneren Zapfenhohlraum 151 aufweisen, der sich axial durch die Mitte des Lagerzapfens 152 erstreckt. Insbesondere kann sich jeder optionale Lagerzapfenhohlraum 151 vollständig durch einen entsprechenden Hauptlagerzapfen 152 erstrecken, mit axial beabstandeten Hohlraumöffnungen auf einer motorseitigen (ersten) axialen Fläche und einer getriebeseitigen (zweiten) Fläche des Lagerzapfens 152. Optionale Konfigurationen können mehr oder weniger als fünf Hauptlagerzapfen, Hauptlagerzapfen mit ähnlichen oder anderen Strukturen als den gezeigten und Hauptlagerzapfen mit oder ohne innere Hohlräume oder mit Hohlräumen, die versenkt sind, umfassen.
Unter Bezugnahme auf 2 kann die Kurbelwellenbaugruppe 111 insbesondere für einen Vierzylinder-Reihenmotor (I4) geeignet sein und umfasst daher vier Kurbelzapfen 154, acht Verbindungsarme 156 und vier Gegengewichte 158. Jeder der Kurbelzapfen 154 trägt ein Pleuellager (z. B. Gleitlagerschalen) und fungiert als Befestigungspunkt, an dem eine Pleuelstange (z. B. Pleuelstange 21 von 1) einen Kolben (z. B. Motorkolben 16) an der Kurbelwellenbaugruppe 111 befestigt. Ähnlich wie die Hauptlagerzapfen 152 sind die Kurbelzapfen 154 in Längsrichtung des Kurbelwellenkörpers 150 voneinander beabstandet. Im Gegensatz zu den Zapfenlagern 152 sind die Kurbelzapfen 154 nicht konzentrisch mit der Kurbelwellenachse A_CR; vielmehr ist eine Mittellinie jedes Kurbelzapfens 154 radial von der Kurbelwellenachse A_CR beabstandet (d.h. „axial versetzt“), so dass die Kurbelzapfen 154 während der Drehung der Baugruppe 111 um die Kurbelwellenachse A_CR kreisen. Wie hier verwendet, kann sich der Begriff „Hohlraum“ auf jede Art von strukturellem Hohlraum beziehen, einschließlich Durchgangslöchern, versenkten Löchern, zylindrischen Hohlkernen, vertieften Hohlräumen, geometrisch komplementären Löchern, mittig und axial versetzten Kernen, usw.
Jeder Kurbelzapfen 154 kann strukturell identisch sein und eine gemeinsame zylindrische Konstruktion mit einem hohlen Kern aufweisen, der durch einen inneren Kurbelzapfenhohlraum 153 definiert ist, der sich axial durch die Mitte des Kurbelzapfens 154 erstreckt. Insbesondere kann sich jeder optionale Kurbelzapfenhohlraum 153 vollständig durch einen entsprechenden Kurbelzapfen 154 erstrecken, wobei sich eine Hohlraumöffnung an einer motorseitigen (ersten) axialen Fläche und eine weitere Hohlraumöffnung an einer getriebeseitigen (zweiten) axialen Fläche des Kurbelzapfens 154 befindet. Der Kurbelwellenkörper 150 kann mehr oder weniger als vier Stangenlagerzapfen aufweisen, kann Stangenlagerzapfen mit ähnlichen oder anderen Strukturen als den gezeigten aufweisen und kann Stangenlagerzapfen mit oder ohne innere Hohlräume aufweisen. Zu diesem Zweck kann die Kurbelwellenbaugruppe 111 für andere Motortypen und -architekturen konfiguriert werden, einschließlich alternativer Inline-Layouts mit einer Zylinderreihe, Layouts mit mehreren Zylinderreihen (V), V- und I-Motoren mit sechs, acht, zehn usw. Zylindern oder Inline- und Rotationsmotoren mit drei, fünf, sieben usw. Zylindern.
Die physische Verbindung zwischen den Hauptlagerzapfen 152 und den Kurbelzapfen 154 besteht aus einer Reihe von Kurbelwangen 156, die mit den Lagerzapfen 152 und den Kurbelzapfen 154 verschachtelt sind und zwischen diesen liegen. Jede Kurbelwange 156 ist eine längliche Struktur, die von der Kurbelwellenachse A_CR radial nach außen ragt und sich von einem Lagerzapfen 152 bis zu einem Kurbelzapfen 154 erstreckt. Diese Kurbelwangen 156 können strukturell identisch zueinander sein, oder alternativ kann eine Teilmenge der Kurbelwangen 156 eine übereinstimmende Konstruktion aufweisen, während eine andere Teilmenge der Kurbelwangen 156 eine andere übereinstimmende Konstruktion aufweisen kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass alle acht Kurbelwangen 156 und die zugehörigen Kurbelzapfen 154 in einer einzigen Ebene ausgerichtet sind; andernfalls können die Kurbelzapfen 154 und die Kurbelwangen 156 in mehreren Ebenen und damit in Umfangsrichtung beabstandet um die Kurbelwellenachse A_CR angeordnet sein. Wenn der Kurbelwellenkörper 150 von 2 gebildet wird, decken die Kurbelwangen 156 die einander zugewandten offenen Enden der Zapfenhohlräume 151 und alle offenen Enden der Wangenhohlräume 155 ab.
Die inneren Lagerzapfenhohlräume 151 der Hauptlagerzapfen 152 und die inneren Kurbelzapfenhohlräume 153 der Kurbelzapfen 154 werden durch innere Wangenhohlräume 155 verbunden, die sich durch die Kurbelwangen 156 erstrecken. Ähnlich wie die Lagerzapfen- und Kurbelzapfenhohlräume 151, 153 kann sich jeder optionale Wangenhohlraum 155 vollständig durch eine entsprechende Kurbelwange 156 erstrecken, wobei sich axial gegenüberliegende Hohlraumöffnungen auf der motorseitigen (ersten) und getriebeseitigen (zweiten) Seite der Kurbelwange 156 befinden. Im Gegensatz zu den Kurbelzapfen- und Wangenhohlräumen 153, 155, die mit konstanten Durchmessern und parallel zur Kurbelwellenachse A_CR verlaufenden Mittelachsen dargestellt sind, sind die inneren Wangenhohlräume 155 schräg zur Kurbelwellenachse A_CR geneigt und haben unterschiedliche Querschnitte, die sich über die Länge des Kurbelwellenkörpers 150 verändern.
Um die auf die Hauptlagerzapfen 152 wirkenden Torsions- und Scherkräfte zu verringern und dadurch die Lebensdauer der Kurbelwellenstützlager zu verlängern, kann eine Reihe von Gegengewichten 158 am Kurbelwellenkörper 150 befestigt werden, die sich radial von der Kurbelwellenachse A_CR weg erstrecken. Wie dargestellt, ist jedes Gegengewicht eine halbkreisförmige Struktur, die einstückig mit einer entsprechenden Kurbelwange 156 ausgebildet ist und von dem Kurbelwellenkörper 150 auf einer Seite vorsteht, die der Wange 156 und dem dazugehörigen Kurbelzapfen 154 gegenüberliegt. Diese Gegengewichte 158 tragen dazu bei, die hin- und hergehenden Massen der Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Halteklammern und des oberen Teils der Pleuelstange sowie die rotierende Masse des unteren Teils der Pleuelstange, der Lager und der Kurbelwellenbaugruppe 111 auszugleichen.
Da die Kurbelwangen 156 Strukturelemente des Kurbelwellenkörpers 150 sind, die die Haupt- und Pleuellagerzapfen physisch miteinander verbinden, während die Gegengewichte 158 zur Verringerung der Lagerbelastung und zum Ausgleich von Motorschwingungen dienen können, kann der Kurbelwellenkörper 150 eine beliebige Anzahl von Gegengewichten aufweisen, die an den verschiedenen Segmenten in beliebiger Kombination angebracht sind.
Die strukturelle Versteifung der Kurbelwellenbaugruppe 111 von 2 ist eine interne Versteifungsstruktur 160 (hier auch als „Versteifungsstange“ bezeichnet) in Form eines starren und konturierten Trägers, der durch einen oder mehrere oder sämtliche der Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und Wangenhohlräume 151, 153, 155 gefädelt und dauerhaft am Kurbelwellenkörper 150 befestigt ist. Wie oben erwähnt, wird der Kurbelwellenkörper 150 aus einem starren Material mit relativ geringen Kosten, Gewicht und Elastizitätsmodul hergestellt, während die Versteifungsstruktur 160 aus einem anderen starren Material mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul hergestellt wird, das größer ist als der Elastizitätsmodul des Kurbelwellenkörpers 150. Beispielsweise kann der Kurbelwellenkörper 150 ganz oder teilweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Titan oder Sphäroguss gebildet sein; umgekehrt kann die Versteifungsstruktur 160 ganz oder teilweise aus Stahl, legiertem Stahl oder Keramik, wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder Zirkoniumdioxid, hergestellt werden. In einem konkreteren Beispiel ist der Kurbelwellenkörper 150 von 2 aus „duktilem“ Sphäroguss mit einem Elastizitätsmodul (E) von mindestens 120 Gigapascal (GPa) oder, in einigen Anwendungen, von etwa 130 bis etwa 170 GPa geschmiedet oder gegossen. Die Versteifungsstruktur 160 hingegen wird aus Kohlenstoffstahl mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 180 GPa oder in einigen Anwendungen von etwa 200-240 GPa warmgeformt, stranggepresst oder gegossen. Die Versteifungsstruktur 160 kann auch aus einem keramischen Material mit einem Elastizitätsmodul von etwa 300-400 GPa hergestellt werden. Wie weiter unten in der Diskussion der 3 und 4 beschrieben, kann die Versteifungsstruktur 160 verschiedene Kombinationen von Formen, Größen, Positionen und Materialien im Rahmen des beabsichtigten Anwendungsgebiets dieser Offenbarung annehmen.
Die Anordnung und Konstruktion der inneren Versteifungsstruktur 160 kann so gestaltet werden, dass die Herstellung der Kurbelwellenbaugruppe 111 vereinfacht und gleichzeitig die elastischen Verformungseigenschaften der Baugruppe 111 optimiert werden. Gemäß dem dargestellten Beispiel ist die Versteifungsstruktur 160 eine nichtlineare, einteilige Konstruktion, die sich fast vollständig innerhalb des Kurbelwellenkörpers 150 befindet, wobei nur vernachlässigbare Segmente an den gegenüberliegenden Enden davon aus den Längsenden des Kurbelwellenkörpers 150 herausragen. Wie in der Querschnittsdarstellung in der Einsatzansicht von 2 am besten zu sehen ist, hat die repräsentative Versteifungsstruktur 160 die Form eines länglichen I-Trägers, der sich diametral über die inneren Hohlräume 151, 153, 155 in den Lagerzapfen 152, den Kurbelzapfen 154 und den Kurbelwangen 156 erstreckt und die ID-Fläche des Kurbelwellenkörpers 150 berührt. Bei dieser Konstruktion ist die Versteifungsstruktur 160 unbeweglich und sicher innerhalb des Kurbelwellenkörpers 150 angebracht. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Hohlräumen 151, 153, 155 um zylindrisch geformte Durchgangslöcher oder um geometrisch komplementäre Durchgangslöcher handeln, die im Wesentlichen mit der Geometrie der Versteifungsstruktur 160 identisch sind.
Die Versteifungsstruktur 160 von 2 hat einen I-förmigen Querschnitt, der durch einen vertikalen Schaft 161 gekennzeichnet ist, der mit einem horizontalen unteren Schenkel 163 und einem horizontalen oberen Arm 165 verbunden ist. Die gegenüberliegenden Querenden des Schenkels 163 und des Arms 165 können quadratisch sein, z. B. zur Vereinfachung der Konstruktion und Herstellung, spitz zulaufen (2), z. B. um den Kontakt zwischen Welle und Versteifung zu lokalisieren, oder sie können abgerundete Kanten haben (3), z. B. um einen bündigen Kontakt zwischen der Versteifungsstruktur 160 und dem Kurbelwellenkörper 150 zu gewährleisten, wenn sie mit hohlen Kernen ausgebildet sind. Von der Unter- bzw. Oberseite der I-Träger-Versteifung 160 ragt ein optionales Paar trägheitserhöhender Schienen 167 und 169 senkrecht nach unten bzw. nach oben, die sich über die gesamte Längslänge der I-Träger-Versteifung 160 erstrecken können. Im Querschnitt betrachtet, erscheinen diese Schienen 167, 169 als brotlaibförmige Vorsprünge (2) oder halbkreisförmige Vorsprünge (3 und 4), von denen jeder eine abgerundete Kontaktfläche hat und radial von einer Mitte einer OD-Fläche entweder des Schenkels 163 oder des Arms 165 vorsteht. Es ist vorstellbar, dass die Versteifungsstruktur 160 andere Geometrien, Größen und Ausrichtungen als die in den Zeichnungen gezeigten annehmen kann.
Um die Gießbarkeit zu unterstützen und gleichzeitig die Steifigkeit zu maximieren und die Masse zu reduzieren, können der Arm 163 und der Schenkel 165 eine vertikale (erste) Dicke T₁ aufweisen, während der Schaft 161 eine horizontale (zweite) Dicke T₂ haben kann, die geringer ist als die erste Dicke T₁. In zumindest einigen Ausführungsformen beträgt die vertikale Dicke T₁ des Schenkels und des Arms 163, 165 etwa 10 mm bis etwa 15 mm, während die horizontale Dicke T₂ des Schafts 161 etwa 5 mm bis etwa 8 mm beträgt. In diesem Beispiel kann die Wandstärke T₃ des Kurbelwellenkörpers 150 etwa 3 mm bis etwa 6 mm betragen, so dass der Kurbelwellenkörper 150 einen OD-Flächendurchmesser von etwa 46 mm bis etwa 52 mm hat. Alternativ dazu können die Schenkel-/Arm- und Schaftdicken T₁ und T₂ im Wesentlichen gleich sein.
Ein optionales Füllmaterial 162, wie z. B. Polymerschaum, Zinn, Aluminium, Nylon oder ein geeignetes Material mit einem hohen Schmelzpunkt, kann in den Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und/oder Wangenhohlräumen 151, 153, 155 angeordnet und zwischen der Versteifungsstange 160 und den ID-Flächen der Lagerzapfen 152, Kurbelzapfen 154 und/oder Kurbelwangen 156 eingefügt werden. Die Zugabe eines solchen Füllmaterials 162 trägt dazu bei, Schwingungs-, Biege- und Torsionskräfte, die von der Kurbelwellenbaugruppe 111 getragen werden, weiter zu dämpfen. Umgekehrt kann der Hohlraum zwischen der Versteifungsstange 160 und den ID-Flächen des Kurbelwellenkörpers 150 leer gelassen werden, z. B. um als Flüssigkeitsleitung für die Verbreitung von Schmiermittel zu dienen. Optionale Stahlklumpen (nicht dargestellt) können in die Gegengewichte 158 eingegossen oder anderweitig an ihnen befestigt werden, um die Trägheit der inneren Versteifungsstruktur 160 auszugleichen. Darüber hinaus können die Grenzflächen, an denen die innere Versteifungsstruktur 160 die ID-Flächen der Lagerzapfen-, Kurbelzapfen- und Wangenhohlräume 151, 153, 155 berührt, texturiert werden, um die mechanische Haftung zwischen der Versteifungsstange 160 und dem Kurbelwellenkörper 150 zu erhöhen.
In 3 ist eine weitere repräsentative Motorkurbelwellenbaugruppe 211 dargestellt, die im Allgemeinen aus einem Kurbelwellenkörper 250 mit mehreren diskret angeordneten Versteifungsstrukturen 260 (hier auch als „I-Träger-Kernversteifungen“ bezeichnet) gebildet ist, die in ausgewählten Segmenten des Kurbelwellenkörpers 250 angeordnet sind. Wie oben erwähnt, kann die Kurbelwellenbaugruppe 211 alle Merkmale und Optionen aufweisen, die oben in Bezug auf die Kurbelwelle 11 von 1 oder die Kurbelwelle 111 von 2 beschrieben wurden. Der Kurbelwellenkörper 250 umfasst beispielsweise mehrere Hauptlagerzapfen 252, mehrere mit den Lagerzapfen 252 verschachtelte Kurbelzapfen 254, mehrere Kurbelwangen 256, die die Lagerzapfen 252 physisch mit den Kurbelzapfen 254 verbinden, und optionale Gegengewichte 258, die mit einer oder mehreren der Kurbelwangen 256 verbunden sind.
Anstatt eine einteilige innere Versteifungsstruktur zu verwenden, die sich durch mehrere Bereiche der Kurbelwelle erstreckt, wie in den 2 und 4 gezeigt, verwendet die Kurbelwellenbaugruppe 211 von 3 einen Satz von diskret verpackten I-Träger-Versteifungsstangen 260, von denen jeder an einer entsprechenden Stelle des Kurbelwellenkörpers 250 montiert ist. Wie dargestellt, sind die I-Träger-Versteifungsstangen 260 starr in diskreten Kurbelzapfenhohlräumen 253 innerhalb der Kurbelzapfen 254 montiert und erstrecken sich durch benachbarte Wangenhohlräume 255 der Kurbelwangen 256, die an die jeweiligen Kurbelzapfen 254 angrenzen. In diesem Beispiel sind die Wangenhohlräume 255 Durchgangslöcher mit einem Paar axial beabstandeter Öffnungen, von denen eine an den Kurbelzapfenhohlraum 253 angrenzt und die andere ungehindert und offen zur Außenseite des Kurbelwellenkörpers 250 ist. Bei dieser Anordnung ragen die diskret verpackten Versteifungsstangen 260 aus den unstrukturierten offenen Enden der Wangenhohlräume 255 in den Kurbelwangen 256, die an den Kurbelzapfen 254 angrenzen, in dem diese Versteifungsstange 260 dauerhaft befestigt ist. Die freiliegenden Enden der I-Träger-Versteifungsstege 260 können bei der üblichen Kurbelwellenbearbeitung z.B. zur Einsparung von Montage- und Fertigungskosten abgeschnitten oder abgefräst werden. Die Versteifungsstangen 260 in 3 erstrecken sich diametral zu den Hohlräumen 253, 255 und sind mit diesen zusammenhängend dargestellt.
4 zeigt eine weitere repräsentative Motorkurbelwellenbaugruppe 311, die einen Kurbelwellenkörper 350 mit einer innen verpackten Versteifungsstruktur 360 (hier auch als „verdrehte I-Träger-Versteifung“ bezeichnet) umfasst, die sich in Längsrichtung durch einige, aber nicht alle Bereiche des Kurbelwellenkörpers 350 erstreckt. Ähnlich wie die Kurbelwellenbaugruppen 111 und 211 der 2 bzw. 3 umfasst der Kurbelwellenkörper 350 von 4 in Längsrichtung beabstandete Hauptlagerzapfen 352, die über ineinandergreifende Kurbelwangen 356 mit axial versetzten Kurbelzapfen 354 verbunden sind. Ein optionaler Satz von radial vorstehenden, in Umfangsrichtung beabstandeten Gegengewichten 358 ist mit den Kurbelwangen 356 verbunden.
Die verdrehte I-Träger-Versteifungsstange 360 hat einen langgestreckten, nicht linearen Trägerkörper, der sich durch ausgewählte Lagerzapfenhohlräume, ausgewählte Kurbelzapfenhohlräume und ausgewählte Wangenhohlräume erstreckt; die verdrehte I-Träger-Versteifungsstange 360 befindet sich jedoch vollständig innerhalb des Kurbelwellenkörpers 350 und ragt somit nicht aus den gegenüberliegenden Längsenden des Kurbelwellenkörpers 350 heraus. Um sich durch das innere Hohlraumnetzwerk des Kurbelwellenkörpers 350 zu fädeln, wird der Körper der verdrehten I-Träger-Versteifungsstange 360 quer gebogen (z. B. vertikal nach oben und unten in 3) und in Bezug auf eine Mittelachse der I-Träger-Versteifungsstange 360 in Umfangsrichtung gedreht (z. B. im Uhrzeigersinn in 4 gedreht). Gemäß dem gezeigten Beispiel erstreckt sich der verdrehte I-Träger 360 nicht diametral über die Hohlräume des Lagerzapfens/Kurbelzapfens/Wange, sondern hat eine I-Trägerhöhe, die geringer ist als die Innendurchmesser dieser Hohlräume. Der I-Träger kann eine variable Höhe und Breite über seine Länge haben, mit einer geringeren Höhe in den Kurbelarmen 356. Der I-Träger kann auch in einem Sandkern in der Nähe seines Endes enthalten sein. Die letzten 10-30 mm des Trägers können mit Sand ummantelt sein. Auf diese Weise muss der Stahlträger möglicherweise nicht bearbeitet werden.
Einige optionale Konfigurationen können die Merkmale der 3 und 4 so kombinieren, dass: (1) die innere Versteifungsstruktur eine einteilige Konstruktion ist, die durch die Hohlräume des Kurbelwellenkörpers gefädelt ist; (2) die Abschnitte der inneren Versteifungsstruktur innerhalb der Haupt- und Pleuellagerzapfen sich diametral über ihre inneren Hohlräume erstrecken und sich mit diesen decken; und (3) die Abschnitte der inneren Versteifungsstruktur innerhalb der Kurbelwangen verdreht sind und eine reduzierte Höhe haben, um die Übergangshohlräume innerhalb der Wangen aufzunehmen. Eine bevorzugte Ausführungsform kann aus einem I-Träger aus Stahl bestehen, bei dem jedes Ende in einem Sandkern eingeschlossen ist, z. B. auf den letzten etwa 20 mm. Weitere ca. 20 mm bis ca. 50 mm des Kernabdrucks können über den Kurbelwellenkörper hinausragen, um den inneren I-Träger während des Kurbelwellengießens zu sichern. Nachdem das Gussteil abgekühlt ist, wird der Sand aus dem Kern entfernt (z. B. ausgeschüttelt), so dass der I-Träger 20 mm in dem Gussteil versenkt bleibt.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden ausführlich unter Bezugnahme auf die abgebildeten Ausführungsformen beschrieben; der Fachmann wird jedoch erkennen, dass viele Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die genaue Konstruktion und die hierin offenbarten Zusammensetzungen beschränkt; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich sind, liegen im Umfang der Offenbarung, wie der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale ein.

Claims

Kurbelwellenbaugruppe, umfassend: einen Kurbelwellenkörper, der aus einem ersten Material gebildet ist und umfasst: eine Vielzahl von Lagerzapfen, die zueinander koaxial sind, um sich um eine Kurbelwellenachse zu drehen, und die entlang einer Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet sind, wobei jeder der Lagerzapfen darin einen Lagerzapfenhohlraum definiert, eine Vielzahl von Kurbelzapfen, die entlang der Länge des Kurbelwellenkörpers voneinander beabstandet und axial von der Kurbelwellenachse versetzt sind, wobei jeder der Kurbelzapfen darin einen Kurbelzapfenhohlraum definiert, und eine Vielzahl von Kurbelwangen, die radial von der Kurbelwellenachse abstehen und die Lagerzapfen und die Kurbelzapfen miteinander verbinden, wobei jede der Kurbelwangen darin einen Wangenhohlraum definiert; und eine Versteifungsstange, die in einem oder mehreren der Lagerzapfenhohlräume, der Kurbelzapfenhohlräume und/oder der Wangenhohlräume angeordnet ist, wobei die Versteifungsstange aus einem zweiten Material gebildet ist, das einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, der größer als ein erster Elastizitätsmodul des ersten Materials ist.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Versteifungsstange eine I-Träger-Versteifung mit einem I-förmigen Querschnitt umfasst, die einen Schaft aufweist, der einen Schenkel und einen Arm verbindet.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Schenkel und der Arm jeweils ein Paar gegenüberliegender Querenden mit abgerundeten Kanten aufweisen.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der I-förmige Querschnitt ferner einen ersten abgerundeten Vorsprung, der radial von einer Außendurchmesser (OD) -Fläche des Schenkels vorsteht, und einen zweiten abgerundeten Vorsprung, der radial von einer OD-Fläche des Arms vorsteht, aufweist.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 2, wobei der Arm und der Schenkel eine erste Dicke aufweisen und der Schaft eine zweite Dicke aufweist, die geringer ist als die erste Dicke.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Füllmaterial, das in den Lagerzapfenhohlräumen, Kurbelzapfenhohlräumen und/oder Wangenhohlräumen angeordnet ist und zwischen der Versteifungsstange und den Lagerzapfen, Kurbelzapfen und/oder Kurbelwangen angeordnet ist.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Versteifungsstange eine Grenzfläche aufweist, an der die Versteifungsstange Innendurchmesser (ID) -Flächen der Lagerzapfenhohlräume, Kurbelzapfenhohlräume und/oder Wangenhohlräume berührt, wobei die Grenzfläche eine Oberflächentextur aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie eine mechanische Haftung zwischen der Versteifungsstange und dem Kurbelwellenkörper erhöht.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Versteifungsstange eine I-Träger-Versteifung mit einem langgestreckten nichtlinearen Trägerkörper umfasst, der sich durch die Lagerzapfenhohlräume, die Kurbelzapfenhohlräume und die Wangenhohlräume erstreckt.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 8, wobei der Trägerkörper der I-Träger-Versteifung in Querrichtung gebogen und in Bezug auf eine Mittelachse der I-Träger-Versteifung in Umfangsrichtung gedreht ist.
Kurbelwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Versteifungsstange eine Vielzahl von einzelnen Versteifungsstangen umfasst, die jeweils in einem jeweiligen der Lagerzapfenhohlräume, der Kurbelzapfenhohlräume und/oder der Wangenhohlräume angebracht sind.